JP5631484B2 - 3次元ホットスポット位置特定 - Google Patents
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Description
本出願は、2010年6月8日出願の米国仮特許出願第61/352,738号明細書の利益を請求し、そのすべての内容がここに参考文献として援用される。
本発明は、電子デバイスに埋没した抵抗熱源(ホットスポット)の位置特定技術に関する。開示した発明によると、ホットスポットの位置を見つけることができ、ロックイン増幅した赤外線画像を利用して欠陥被膜層における熱波伝搬を解析することにより3次元ですべて正確に位置を特定することができる。特に、本発明は、システムインパッケージデバイスにおける垂直積層の集積回路および相互接続層における熱活性構造体または欠陥の3次元位置を非破壊で特定可能にする。
3次元アーキテクチャを持つ今の複雑なシステムインパッケージデバイスの故障解析はますます難しくなっている。そのようなデバイスでは、数個の集積回路ダイが垂直に積層され、ワイヤボンドまたは貫通シリコンビア技術により相互接続さている。内部の電子構造体または相互接続へのアクセスおよび解析は、磁気顕微鏡法や、信号追跡に用いられる時間領域反射率測定法のような非破壊技術に制限される。両手法では解像度が制限され、電気的欠陥の3次元位置特定は非常に限定的かまたは大規模である。3次元アーキテクチャにおける埋没した電子構造体への光学アクセスは遮光材質層によって制限されるため、OBIRCHまたは放射顕微鏡法のような標準的な故障位置特定方法はほとんど利用することができない。これは3次元システムインパッケージの場合にはもっとも致命的となる。熱活性構造体および欠陥は、深部ダイや、遮光ダイ接着剤で覆われた相互接続階層、再分配または密封層に埋没していることがあるからである。個別の故障解析のために個々のダイを分離することは、欠陥の位置を特定するための選択肢の一つではあるが、この処理には非常に時間がかかり、準備に起因して新たな欠陥が付加される高い危険性があり、故障検出の成功率を著しく低下させてしまうおそれがある。
ロックインサーモグラフィは、画素デュアルチャネルロックイン相関と組み合わせた赤外線感知カメラを用いて、直接赤外線画像により試料の全域でごく僅かな温度変動を検出する非破壊技術のことをいう。ロックインサーモグラフィは、μmの空間分解能およびμKの感度でxおよびy座標における熱活性構造体および欠陥の位置を特定するが、これまでのところ深さの位置特定は不可能である。
熱均質材料には表面下部の熱源の深度と熱が表面に到達するまでの時間との間に略線形の依存関係がある。この熱時間遅延は位相信号に比例し、デュアルチャネルロックインサーモグラフィによって測定することができる。デュアルチャネルロックインサーモグラフィにより、熱源の表面までの距離、したがって材料層の内部または下部の深度が再計算される。
従来の時間分解熱の測定結果により、試料の熱応答をマイクロ秒(μs)およびミリケルビン(mK)の精度で検出および表示することができる。
表面(裏面または上面)へのパルス熱および時間分解による温度分布および拡散の測定に基づく。パルス位相サーモグラフィは、表面下の層間剥離、材料不純物、空隙などを検出することができる。パルス位相サーモグラフィは、脆弱な溶接接合を非接触で検知するのに用いられる(例えば、ドイツのThermosensorik社を参照)。ロックインサーモグラフィと比較して、熱パルス吸収は感度が低く空間分解能も低い。
例I:単一チップデバイスにおけるホットスポットの深度特定
ロックインサーモグラフィ法を用いて、下記の故障解析工程とよく適合して完全密封の単一チップデバイス内のホットスポットの位置を非破壊で特定することができる。ホットスポットの深度、印加されるロックイン周波数、および生じる位相ずれの間の関係は、定点熱源を持つ検査構造体を用いて調査した。検査構造体は、蛇行する銅線を含む単一チップデバイスを用いて作成した。図5の上部に示したように、蛇行は集束イオンビーム技術により局所的に修正され、はっきりした局所熱源が生成された。局所的な高抵抗領域が生成された後、単一チップデバイスを、1.2Vの電源電圧および5Hzのロックイン周波数のロックインサーモグラフィで、消費電力が14mWである局所熱源を生成して測定した。図6に、生じる振幅をトポグラフィ画像に重ねて示す。次に、デバイスをモールド化合物で密封し、集束イオンビームによって生成されたホットスポットとデバイス表面との間に材料層を形成した。この場合、ホットスポットの深度はデバイスおよび単一チップの寸法から知ることができ、950μmと特定された。
例II:ダイ積層デバイスにおける欠陥の深度特定
例えばシステムインパッケージなどのダイ積層デバイスの内部の3次元ホットスポット位置特定のために、影響の第2の要因を考慮しなければならない。ホットスポット位置に生成される熱波は、シリコン、モールド化合物、ダイ接着テープなどのさまざまな厚さのさまざまな材料層に伝搬する。結果として、欠陥デバイスのさまざまなダイにおける軸方向ホットスポット位置に応じて、デバイス表面までの距離だけではなく熱拡散長までもが変化する。それゆえ、積層のより下層のダイのホットスポットで生成された熱波は、デバイス表面近くのホットスポットで生成される熱波と比較して多くの材料層を通ることとなる。単一チップデバイスに関する前節と同様に、この挙動を用いて、さまざまなホットスポット位置についてある周波数範囲の理論的な位相ずれを算出することでホットスポットの深度を特定することができる。単一チップデバイスの調査とは異なり、ホットスポットは離散モデルの材料システムを用いることができる状況に変化する特定のダイに関連することを前提としている。それゆえ、少なくとも1次オーダーまで、全体の熱拡散長は各材料層の単独の熱拡散長の総和である。また、ホットスポットの全体の深度ztotalは単独の材料層の厚さznの総和である。
例III:時間分解熱応答
従来の位相対周波数法には解析時間が長いという一つの不利な点がある。被検査体全体を十分なSNRで測定するのに数分を(分厚い、低電力の試料に高いロックイン周波数を用いる場合には数時間も)要することがある。図11Aおよび11Bは、flockin=1HzおよびVlockin=1.2Vで捕捉時間=15分で測定した代表的なロックインの結果を示す。図11Aは、xおよびyにおける欠陥の位置特定の基礎であるトポグラフィ画像の上に重ねた振幅結果/画像である。図11Bは、位相結果であり、画素ごとの局所的熱遅延を示す。熱源のx,y位置は図11から特定することができるため、最終的な3次元解析は、目標とする熱源のすぐ上を測定した位相値のみが必要な、熱源のz深度の特定に低減される。それゆえ、図11Bし示したようにすべてのロックイン周波数で視野全体を測定すると処理に時間がかかり、さらなる利点がない。そこで、本発明の実施形態によると、図11Aおよび11Bの四角で示したように、カメラの視野が縮小され、ホットスポットの中央の回りの小領域が測定される。例えば、一実施形態によると、時間分間熱応答解析は、カメラの動作速度を十分に速くしてごく小さなウィンドウ(例えば、図11Aにおける四角で示したような16x16画素、またはたった一つの画素)におけるデータを捕捉することで必要な波形を測定することに基づく。データの補足中、ソフトウェアは、ホットスポットの真ん中を囲むのみの小ウィンドウまたは一部(極小領域)の全体にわたる平均値をリアルタイムで計算することができ、データを平均化し、励振(ロックイン)周波数に同期して時間分解熱波形(例えば、図12および13に示したような波形)を生成する。
Claims (16)
- ロックインサーモグラフィシステムを用いて埋没した熱源の位置を特定する方法であって、
被検査体を検査システム上に配置し、
前記被検査体に検査信号を印加し、
前記被検査体に前記検査信号を印加しながら赤外線カメラを用いて前記被検査体を撮影し、
前記被検査体の表面の横断的な温度分布を検出して横断的に前記熱源の位置を探し、
前記赤外線カメラの動作領域を縮小して縮小視野を取得し、
複数のさまざまなロックイン周波数で前記被検査体に電気励振信号を続けて印加し、
前記被検査体に前記電気励振信号を印加しながら前記縮小視野を用いて前記被検査体を撮影し、
前記縮小視野を用いて、前記電気励振信号と熱応答との間で生じる位相ずれを前記被検査体内の熱伝搬と相関させて検出および解析し、
前記生じた位相ずれを解析して電気的活性の熱源の深度位置を取得する、ことを特徴とする方法。 - さまざまなロックイン周波数での前記位相ずれをプロットし、定量的な位相値に加えて位相対周波数曲線の傾きを解析してZ分解能および測定値の信頼性を向上する、請求項1に記載の方法。
- 熱波伝搬の解析解により周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記検出及び解析した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項1に記載の方法。 - 熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記測定した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項1に記載の方法。
- 隣接画素の値を加算して加算データ点を生成し、前記加算データ点のみを読むことで前記赤外線カメラの動作領域を縮小する、請求項1に記載の方法。
- 外部信号源から前記検査信号を取得し、前記赤外線カメラを前記外部信号源からの信号に同期させて前記検査信号を印加する、請求項1に記載の方法。
- 単一画素赤外線センサを用いて前記赤外線カメラの動作領域を縮小する、請求項1に記載の方法。
- ロックインサーモグラフィを用いて被検査体に埋没した熱源の時間分解位置特定を行う方法であって、
前記被検査体に検査信号を印加し、
前記被検査体に前記検査信号を印加しながら赤外線カメラを用いて前記被検査体を撮影し、
前記被検査体の表面の横断的な温度分布を検出して横断的に前記熱源の位置を探し、
前記赤外線カメラの動作領域を縮小して縮小視野を取得し、
複数のさまざまなロックイン周波数で前記被検査体に電気励振信号を続けて印加し、
前記被検査体に前記電気励振信号を印加しながら前記縮小視野を用いて前記被検査体を撮影し、
赤外線画像を用いて可変ロックイン周波数での時間分解熱波形を検出し、前記時間分解熱波形をモニタに表示し、
前記時間分解熱波形を解析して前記電気励振信号と所定の関数との間の位相ずれを特定する、ことを特徴とする方法。 - 相関関数を用いて前記時間分解熱波形を解析する、請求項8に記載の方法。
- 隣接画素の値を加算して加算データ点を生成し、前記加算データ点のみを読むことで前記視野を制限する、請求項8に記載の方法。
- ロックイン周波数と同じ周波数の正弦関数との自己相関を用いて前記時間分解熱波形の前記位相ずれを測定する、請求項8に記載の方法。
- 熱波伝搬の解析解により周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記特定した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項8に記載の方法。 - 熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを算出し、
前記算出した周波数挙動に対する深度関連の位相ずれを前記特定した位相ずれに関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項8に記載の方法。 - 少なくとも一つの相関関数を用いて前記時間分解熱波形の形状を定量的に解析し、それにより得られる相関係数対ロックイン周波数のマトリクスを生成する、請求項8に記載の方法。
- 正弦、余弦、方形、シャークフィン、指数関数的充放電曲線の少なくとも一つを含む所定の波形との自己相関または相互相関の少なくとも一つを用いることで前記少なくとも一つの相関関数を用いる、請求項14に記載の方法。
- 熱波伝搬の有限要素モデリングにより周波数挙動に対する深度関連の位相ずれに基づいて理論的相関係数を算出し、
前記算出した相関係数を前記相関係数に関連付けて前記熱源の深度を特定する、請求項15に記載の方法。
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